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我所研究发现:汤加火山爆发对北极气候产生重要影响

时间:2023.09.04 来源:物理海洋室 字号

近日,我所研究发现汤加火山爆发对北极气候产生重要影响。该研究在国际上首次考虑火山爆发的水汽气候效应,模拟预测了汤加火山对全球气候系统的影响,发现其对北极地区增暖效应最为显著。

2022年1月15日,汤加火山爆发,引起了全球范围内的广泛关注。汤加火山位于环太平洋火山地震带,是南太平洋最为活跃的火山之一。卫星观测数据显示,作为一座海底火山,汤加火山仅喷发了0.4Tg二氧化硫进入大气平流层,但是排放了前所未有的水汽量进入平流层。据估计,此次火山爆发,进入到平流层的水汽量高达140-150Tg。

汤加火山喷发后,我所研究人员基于自主的第二代短期气候预测系统FIO-CPS v2.0,针对汤加火山喷发后的气候效应进行了数值模拟、预测与分析。数值模式中同时考虑了火山喷发到大气平流层中的气溶胶和水汽的综合作用。虽然美国学者基于CESM气候模式也开展了此次汤加火山水汽排放的数值模拟研究,但其研究主要集中在大气化学方面。因而,本项工作是在火山气候效应模拟与预测中,首次考虑火山水汽排放的影响。

数值结果显示,尽管汤加火山的喷发发生在南半球,但其对北极地区的表层气温影响最为显著。汤加火山爆发后,北极地区(北纬70度以北)出现了显著的增温,且增温可脉冲式持续数月;2022年2月,火山引起的北极地区的平均表层气温上升1.1度以上,在局部地区甚至可升高3度以上,但此次火山喷发对全球整体平均的气温影响不大(图1)。这种影响是由于汤加火山喷发后,火山气溶胶和水汽同时进入平流层引起了大气环流的变化。这种变化导致水汽异常输送到北极地区,增加了北极地区的水汽含量。水汽含量的增加,一方面增强了向下的长波辐射,另一方面还增加了北极地区的云量和长波云辐射强迫,这些共同导致北极地区表层气温升高(图2)。此外,2022年2月,向北的大气热输送也异常增加,使该月的表层增温异常显著。

该研究发现,汤加火山的水汽排放对北极地区表层气温升高的空间格局有重要影响。如果在气候预测中不考虑水汽排放的影响,火山对表层气温的影响则与考虑水汽排放时的效应呈现相反的空间分布态势。如果不考虑水汽的作用,北半球的升温将主要出现在欧亚大陆区域,而北极地区则出现降温现象(图3)。

该研究表明:我所在气候模式应用领域又取得了重要进展,可以直接预测全球重大事件(如火山爆发)的气候效应。目前的气候预测系统采用了国际通用的EVA模型来计算火山气溶胶光学参数,但难以考虑火山气溶胶与水汽之间的直接相互作用。下一步,气候预测系统将考虑更加完整的大气化学过程。

相关研究结果以“Tonga volcanic eruption triggered anomalous Arctic warming in early 2022”为题发表于国际地学知名学术期刊《Ocean Modelling》,鲍颖副研究员为论文第一编辑,乔方利研究员为通讯编辑(https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2023.102258)。该研究得到国家自然科学基金等项目的资助。


图1.汤加火山喷发引起的表层气温异常。(a)为全球平均(灰线)与北纬70度以北区域平均(粉线)表层气温异常;(b)为纬向平均的表层气温异常


图2. 汤加火山引发北极地区气温异常示意图


图3. 850 hPa风场(箭头)和表层气温(颜色)异常分布。(a)仅SO2气溶胶排放无水汽排放实验,(b)SO2气溶胶与水汽同时排放实验


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